- •Х38 Очистка сточных вод: Пер. с англ./ Хенце М., Армоэс П., Ля-Кур-Янсен Й., Арван Э. — М.: Мир, 2006. — 480 с., ил.
- •ISBN 5-03-003771-3
- •Очистка сточных вод
- •Предисловие научного редактора
- •Предисловие
- •Предисловие к третьему изданию
- •Список используемых обозначений
- •Сточные воды, их объем и состав
- •1.1. Объемы сточных вод
- •1.1.1. Измерения
- •1.1.2. Статистическая обработка
- •1.1.3. Оценочные данные
- •1.1.4. Популяционный эквивалент и нагрузка, создаваемая условным жителем
- •1.1.5. Прогнозирование
- •1.2. Компоненты сточных вод
- •1.2.1. Коммунальные и городские стоки
- •1.2.2. Разброс данных
- •Характеристика сточных вод и биомассы
- •2.1.1. Осаждаемые вещества
- •2.3. Азот
- •Основные биологические процессы
- •3.1.1. Организмы
- •3.2.1. Биологический рост
- •3.2.3. Распад биомассы
- •3.2.4. Накопление запасных веществ
- •3.3.2. Коэффициент прироста ила при аэробной гетеротрофной конверсии
- •3.3.3. Макроэлементы для аэробной гетеротрофной конверсии
- •3.3.4. Кинетические аспекты аэробной гетеротрофной конверсии
- •3.4. Нитрификация
- •3.4.1. Реакции нитрификации
- •3.4.3. Кинетические аспекты нитрификации
- •3.4.4. Влияние окружающей среды на нитрификацию
- •3.5. Денитрификация
- •3.5.1. Реакции денитрификации
- •$.5.2. Коэффициент прироста ила при денитрификации
- •3.5.3. Макроэлементы, необходимые для денитрификации
- •3.5.5. Кинетика денитрификации
- •3.5.6. Влияние окружающей среды на денитрификацию
- •3.6.1. Микроорганизмы
- •3.6.3. Коэффициент прироста биомассы в процессе биологического удаления фосфора
- •3.6.4. Щелочность
- •3.6.5. Кинетика биологического удаления фосфора
- •3.6.6. Влияние окружающей среды на биологическое удаление фосфора
- •3.7.1. Реакции при анаэробном брожении2
- •3.7.2. Рост биомассы и коэффициенты ее прироста при анаэробном брожении
- •3.7.3. Макроэлементы, необходимые для анаэробного брожения
- •3.7.5. Кинетика анаэробного брожения
- •3.7.6. Образование газообразных продуктов
- •3.7.7. Влияние окружающей среды на анаэробное брожение
- •4.3.1. Системы с рециркуляцией активного ила
- •4.3.2. Системы с совмещенным аэротенком и отстойником
- •4.3.3. Системы с контактной стабилизацией ила
- •4.3.6. Проектирование на основе объемной нагрузки
- •4.3.7. Проектирование на основе нагрузки на ил или возраста ила
- •Биофильтры
- •5.4. Двухкомпонентная диффузия
- •5.6.1. Биофильтры без рециркуляции
- •5.6.2. Биофильтры с рециркуляцией
- •5.8.1. Капельные фильтры
- •5.8.2. Погружные фильтры
- •5.9.1. Проектирование капельных фильтров
- •5.9.2. Проектирование реакторов с вращающимися дисками
- •5.9.3. Проектирования фильтров других типов
- •5.9.4. Проектирование биофильтров, предназначенных для удаления растворенных органических веществ
- •5.10. Технические условия работы биофильтров
- •5.10.1. Аэрация в биофильтрах
- •5.10.2. Рост и удаление биомассы
- •5.11. Удаление взвешенных органических веществ
- •Системы очистки с нитрификацией
- •6.1.1. Обособленные системы нитрификации
- •6.1.2. Совместное удаление органического вещества и аммония
- •6.2.4. Фильтры, содержащие только нитрифицирующий ил
- •6.2.5. Двухстадийные системы нитрификации на фильтрах
- •6.3.1. Системы нитрификации с активным илом
- •6.3.2. Оптимизация работы систем нитрификации
- •6.3.3. Проектирование биофильтров для нитрификации
- •Литература
- •Системы денитрификации
- •7.1.1. Обособленные системы денитрификации
- •7.2.3. Биофильтры для денитрификации
- •7.3.2. Кислород/перемешивание
- •7.3.3. Одновременная нитрификация/денитрификация
- •7.3.4. Газообразный азот в отстойниках и на биофильтрах
- •7.3.5. Потребление кислорода
- •7.3.7. Проектирование систем денитрификации с активным илом
- •7.3.8. Проектирование на основе моделирования
- •7.3.9. Проектирование биофильтров для денитрификации
- •7.4. Редокс-зоны в биомассе
- •Литература
- •Системы биологического удаления фосфора
- •8.1. Уравнения массового баланса при биологическом удалении фосфора в системах с активным илом
- •8.2. Типы систем для биологического удаления фосфора
- •8.3.2. Проектирование реакторов для биологического удаления фосфора
- •8.3.3. Оптимизация процесса биологического удаления фосфора
- •Литература
- •Гидролиз/ферментация и анаэробная очистка сточных вод
- •9.1. Гидролиз/ферментация
- •9.2. Анаэробная обработка сточных вод
- •9.2.1. Введение
- •9.2.2. Уравнения массового баланса при анаэробной обработке
- •9.3.3. Анаэробная очистка на фильтрах
- •9.4.1. Проектирование систем со взвешенной биомассой
- •9.4.2. Проектирование анаэробных фильтров
- •9.4.3. Образование газообразных соединений в анаэробном процессе
- •9.4.4. Оптимизация анаэробной очистки
- •9.4.5. Запуск анаэробных реакторов
- •9.4.6. Нарушения в работе анаэробных реакторов
- •Литература
- •Небиологические системы для удаления фосфора из сточных вод
- •10.1. Уравнения массового баланса для процессов удаления фосфора
- •10.2.1. Осаждение
- •10.2.2. Коагуляция
- •10.2.3. Флокуляция
- •10.2.4. Связывание фосфора в почве
- •10.3. Небиологические системы удаления фосфора
- •10.3.1. Осаждающие вещества
- •10.4. Проектирование установок для удаления фосфора
- •10.4.1. Химическое осаждение
- •10.4.2. Связывание фосфора в почве
- •10.5. Работа установок для удаления фосфора
- •Литература
- •Особенности моделей, их калибровка и применение
- •11.1. Прагматизм и теоретические модели
- •11.1.1. Инженерное мастерство
- •11.1.2. Научно обоснованный детерминистский подход
- •11.1.3. Структура моделей, переменные, параметры и движущие силы
- •11.2. Применение моделей
- •11.2.1. Инструмент планирования
- •11.2.2. Анализ процессов на действующих станциях
- •11.2.3. Проектирование новых станций
- •11.2.4. Контроль работы станций в реальном времени
- •11.2.5. Модели как инструменты исследования
- •11.2.6. Уровень агрегации
- •11.3. Калибровка модели и оценка параметров
- •11.3.1. Структура модели
- •11.3.2. Калибровка, верификация и оценка параметров
- •11.4. Проектирование станций очистки воды
- •11.4.1. Идентификация проблемы
- •11.5. Моделирование систем с биопленкой
- •11.6.3. Интерпретация результатов
- •11.7. Контроль в реальном времени
- •Предметный указатель
- •Оглавление
Таблица 3.3. Органические вещества, содержащиеся в сточной воде
|
|
Потребление |
|
|
|
Вещество |
Усредненная |
кислорода |
Углерод, |
Азот, |
|
микробами, |
|||||
формула |
% |
% |
|||
|
кг Ог/ |
||||
|
|
кг вещества |
|
|
|
Углеводы |
СюНхаОэ |
1,13 |
43 |
0 |
|
Жиры, масла |
СаНеОг |
2,03 |
72 |
0 |
|
Белки |
C14H12O7N2 |
1,20 (1,60а) |
53 |
8,8 |
|
Усредненное органическое |
|
1,42 (1,59а) |
55 |
3,6 |
|
вещество |
CieHigOgN |
аВ условиях нитрификации.
Пример 3.1. Промышленная сточная вода содержит глутаминовую кислоту C5H9O4N в концентрации 1,5 кг/м3 Объем воды 300 м3/сут.
Определите ХПК сточной воды.
Сколько кислорода в сутки нужно подавать в реактор биологиче ской обработки для окисления 70% органического вещества в воде? Нитрификация в реакторе не осуществляется.
Значение ХПК найдем из уравнения реакции
C5H9O4N + 4,50а + Н+ 5СОа + ЗН20 + NHJ
(поскольку азот в органических соединениях не окисляется в условиях определения ХПК). Из уравнения получаем, что 1 моль глутаминовой кислоты (мол. вес 147 г/моль) потребляет 4,5 моль кислорода (144 г/моль). Следовательно, потребление кислорода со ставляет 0,98 г кислорода/г глутаминовой кислоты, а ХПК равно 1,5 •0,98 = 1,47 кг Ог/м3.
Таким образом, суточное потребление кислорода составляет 1,47 кг Ог/м3 •300 м3/сут •0,70 = 309 кг Ог/сут.
3.3.2. Коэффициент прироста ила при аэробной гетеротрофной конверсии
Коэффициент прироста ила1 (биомассы) при аэробной гетеротроф ной конверсии определяется как прирост биомассы в результате потребления определенной массы субстрата.
Y = Д Х /A S |
(3.11) |
Энергетическая эффективность гетеротрофных микроорганизмов /3 обычно составляет 55-60% [8]. При аэробном росте мик-
1В микробиологической литературе используется термин экономический коэффициент. — Прим . ред.
ровной биомассы максимальное количество органического веще
ства, превращаемого в новую биомассу, составляет около 50% |
|
по ХПК. Это означает, |
что коэффициент прироста ила ра |
вен 0,5 rX IT K /rX n K (S ) |
[45]. Разность между 50%-ным выходом |
биомассы и 55-60%-ным выходом энергии объясняется накоплением запасных веществ.
Применительно к процессам обработки сточной воды термин «прирост ила» обычно понимают в широком смысле и рассматри вают как общий прирост биомассы в пересчете на массу вещества, удаленного из стоков.
Органические вещества, разлагаемые в аэробном (или анокси ческом) процессе, можно использовать в следующих целях:
-получение энергии, выделяющейся при окислении (кислородом или нитратом) до диоксида углерода,
-рост (новая биомасса),
-накопление питательных веществ (разнообразные типы внутри клеточных полимеров),
-синтез внеклеточных полимерных веществ (ВПВ).
Поскольку окисление является частью любого аэробного процес са, это означает, что органический субстрат никогда не может быть превращен на 100% в органическое вещество биомассы. Конечно, если учитывать образование диоксида углерода, потерь углерода не будет. В процессах накопления запасных веществ прирост может достигать 0,95 г Х П К /г XnK (S). Другая предельная ситуация — весь субстрат расходуется на поддержание жизнедеятельности клеток (эндогенное дыхание), в результате прирост биомассы равен нулю или даже отрицателен. При заданном количестве субстрата прирост биомассы зависит от длительности процесса [47].
Табл. 3.4 демонстрирует зависимость прироста биомассы от
условий, в которых происходит превращение субстрата. Максимальный коэффициент прироста биомассы Y MaKC в
аэробном процессе (в условиях минимального накопления за
пасных веществ) составляет примерно 0,6-0,65 гХ П К /гХП К (8). В моделях, описывающих процесс биологической очистки воды, обычно используют величины этого порядка [41]. Наблюдаемый на практике коэффициент прироста биомассы У „абл часто ниже (0,3-0,5 г ХПК/г ХПК) из-за процессов поддержания жизнеде
ятельности клеток (эндогенного дыхания). Однако, как было сказано выше, при биологической очистке воды с низкой (или нулевой) концентрацией источника углерода (низкая нагрузка
Таблица 3.4. Прирост биомассы в различных биологических системах, (кг веса на кг потребленного питания)
|
Прирост, г ХПК/г ХПК |
Бактерии с субстратом для роста (1 сут) |
0,60 |
Бактерии при избытке субстрата в условиях |
0,95 |
накопления питательных веществ (1 ч) |
|
Бактерии при сильной нехватке субстрата |
0,00 |
Рыба (1 год, до 0,5 кг) |
0,45 |
Курица |
0,32 |
Свинья (до 65 кг) |
0,23 |
Яловая корова |
0,18 |
Человек (0-16 лет) |
0,010 |
Человек (0-70 лет) |
0,002 |
Человек (16-70 лет) |
0,000 |
на ил) наблюдаемый коэффициент прироста биомассы будет отрицательным. Часто целью обработки сточных вод является получение низкого прироста ила. Достичь этого можно, понижая нагрузку на ил или же используя процессы с высоким ФПЦ (фактор питательной цепи). Если в конверсии органического вещества участвует более, чем один организм, то для получения энергии при дыхании расходуется большее количество этого вещества, что приводит в результате к понижению прироста биомассы. Если наблюдаемый коэффициент прироста биомассы в каждом из двух биологических превращений, которые претерпевает субстрат, равен 0,5 гХП К /гХП К , то суммарный коэффициент прироста для всего процесса составит 0,5 •0,5 = 0,25 гХП К /гХП К . Реакторы с активным илом обычно имеют невысокий ФПЦ (около 1,2), а вот в капельных фильтрах он может быть выше— до 2,0 из-за наличия большого числа простейших и многоклеточных организмов. Это приводит к более низким приростам ила в капельных фильтрах по сравнению с реакторами с активным илом.
Если известен коэффициент прироста биомассы, то можно написать уравнение роста микробов в аэробных условиях, при чем соотношение между количеством полученной биомассы (со става C5H7NO2) и количеством удаленного субстрата (состава
CisHigOgN) и дает У „абл.:
где b •М\Убиом/а •M W opr = Y Ha&i> MWemnc и M W opr — молярный вес биомассы и органического субстрата соответственно, У „абл — на блюдаемый коэффициент прироста биомассы в весовых единицах.
Если, например, У набл = 0,5 кг биомассы/кг органического вещества, то выражение (3.12) примет следующий вид:
b -M W 6„OM/a - M W opr = 0,5
(коэффициенты а или b находят подбором при оценке выражения, здесь а=1).
Молярный вес биомассы (C5H7NO2) и органического вещества
(CieHigOgN) в данном примере составляют 113 г/моль и 393 г/моль
соответственно. |
|
|
|
Находим Ь: |
|
|
|
^ |
0,5 •1 •393 |
1,74. |
|
ь = |
ш |
||
|
|||
Таким образом, уравнение реакции выглядит так: |
CI8HI90 9N + 0,74NH3 + 8 ,8 0 2 ->
-> 1,74 - C5H7N 0 2 + 9,ЗС 02 + 4,52Н20 (3.13)
(следовательно, необходимо добавить некоторое количество азота в виде аммиака (или аммония), поскольку в органическом веществе азота недостаточно для ассимиляции его в биомассу).
Коэффициенты прироста биомассы можно выражать самыми
разными способами. Так, в уравнении (3.13) У набл = 0 ,5 кг
биомассы/кг органического вещества. Чтобы перейти к единицам ХПК, и биомассу, и органическое вещество пересчитывают в единицах ХПК. Поскольку фактор пересчета при данном условном составе биомассы и органического вещества в обоих случаях составляет 1,42 кг 0 2/к г органического вещества, то У „ абл = 0,5 кг
Х П К (Х )/кг ХПК(Б). Выраженное в молях значение коэффициента прироста биомассы в уравнении (3.13) равно: Y „a6ji = 1,74 моль биомассы/моль органического вещества.
Пример 3.2. Наблюдаемый коэффициент прироста биомассы аэробно го окисления уксусной кислоты 0,55 кг ХПК/кг ХПК.
Предложите уравнение реакции, если состав биомассы описыва ется формулой C5H7NO2.
Рассчитаем ХПК уксусной кислоты и биомассы:
СНзСООН + 202 -* 2С02 + 2Н20
CSH7N 02 + 502 + Н+ -* 5С02 + 2Н20 + NHJ